智能變電站實時閉環測試技術研究及應用

李 鵬，王玉婷，劉 玙，高 磊，袁宇波

(1．江蘇省電力公司電力科學研究院，南京市211103;2．國電南京自動化股份有限公司，南京市211106)

0 引 言

智能變電站集成度較常規變電站有很大提升，與傳統變電站建設規律不同，智能變電站在現場調試前須對裝置單體功能、系統整組、網絡性能、采樣同步性等進行集中測試［1-2］。

集成測試模式可以在智能變電站發展初期發現和解決許多設計、配置及性能等方面的問題，極大地減輕現場調試工作［3-4］。

目前，隨著智能變電站二次設備技術規范的日趨完善，集成測試項目和指標已較為成熟。但為滿足大規模建設的要求，集中測試的內容有待進一步完善，除了保證調試工作的全面性和完整性，還應通過動模試驗系統檢驗設計的合理性，這也有助于探索智能變電站投運后運行、檢修等相關問題的解決方案，并為技術監督、故障分析等奠定基礎。

實時數字仿真(real time digital simulator，RTDS)系統是基于并行計算的全數字電磁暫態實時仿真系統，其模型和仿真精度已獲得業內較高的認可度［5-7］。以RTDS 為核心構建數字動模試驗平臺能夠在系統及全站一次設備建模的基礎上，動態模擬實際電力系統的特性，并與控制保護裝置接口實現動態閉環測試［8-12］。

本文結合智能變電站工程建設的需要，提出基于RTDS 系統的智能變電站數字動模試驗模式，并設計智能變電站二次設備集中閉環測試方法，最后針對某500 kV 智能變電站工程，介紹在集成聯調期間開展的全站二次系統數字動模試驗。

1 RTDS 系統簡介

RTDS 系統綜合了先進的計算機軟硬件，硬件完全模塊化，可擴展以適應復雜系統;用戶與數字仿真設備之間通過圖形用戶界面PSCAD 進行溝通聯系，PSCAD的PC 機版本被稱作RSCAD，整體結構如圖1 所示。

圖1 RTDS 系統整體結構Fig.1 Overall structure of RTDS system

1.1 硬件系統

RTDS 系統由Rack 組成，多個Rack 可進行級聯，Rack 的數量與仿真規模相關，每個Rack 包括多個處理板卡。目前最新的處理板卡是PB5 卡，一塊PB5 卡可以進行144個單相節點的網絡解運算。對于較大規模電網的仿真，可以分割成幾部分在不同的處理板卡中實現并行計算。

輸入輸出接口板卡是RTDS 系統中的一個重要部分，用于實現與控制保護等外圍物理設備的接口，常用的接口板卡有以下幾種［13］:模擬量輸出板卡GTAO 卡，輸出12 路±10 V 范圍內的模擬量小電壓信號;數字量輸入卡GTDI 和數字量輸出卡GTDO，帶寬達2 Gbit/s，均支持64 路開關量，其內部回路及外部接線如圖2 所示。

圖2 開關量輸入輸出板卡回路及接線Fig.2 Circuit and connection of GTDI and GTDO card

1.2 軟件系統RSCAD

RSCAD 是實現RTDS 系統硬件與用戶進行聯系的軟件界面，可利用RSCAD元件庫中的模型或自定義模型完成相關建模，并在連續運行的情況下完成各種操作，主要包括Draft、Runtime、CBuilder 和TLine/Cable 等模塊。

2 RTDS 系統數字動模試驗

基于RTDS 的數字動模試驗主要由軟件建模和硬件配置2 部分組成。軟件建模包括電網建模、控制邏輯設計、輸入輸出配置、操作及顯示設置。硬件配置完成RTDS 接口板卡、功放及控制保護間的連接，實現RTDS 與控制保護的閉環。為了便于結果分析，關鍵模擬量和開關量信號應接入錄波裝置，試驗系統原理見圖3。

圖3 RTDS 數字動模試驗原理Fig.3 Digital dynamic test principle base on RTDS

由圖3 可知，RTDS 處理板卡計算的電網動態數據通過各接口板卡與控制保護設備進行電纜連接。GTAO 完成電網動態數據的D/A 轉換，實現模擬量的實時輸出。可根據控制保護模擬量輸入方式來確定直接接收小電壓信號，還是接收經功放輸出的電流、電壓信號;GTDO 完成開關量的輸出，可為控制保護提供開關位置等數字量信號;GTDI 卡實現RTDS對外部開關量的輸入，接收來自控制保護的跳合閘或控制等數字量信號。所有的接口板卡通過光纖進行級聯，并在RSCAD 模型中進行信號端口的配置。

3 基于RTDS 的智能變電站閉環測試

智能變電站中保護測控等二次設備的采樣值采用SV 報文傳輸，開關量采用GOOSE 傳輸，因此，需要以新的方式來開展其二次設備的動模測試。

3.1 測試原理

RTDS 公司開發的GTNET 卡是專門針對RTDS與外部設備在IEC 61850 規約下交互連接的，具有GTNET_SV 和GTNET_GSE 2 種模式，但由于國內外IEC 61850 －9 －1.9 －2 協議(以下簡稱9 －2 協議)的差異，目前GTNET_SV 與國內現有SV 大多不兼容，GTNET 卡僅用于GOOSE 傳輸。

目前，智能變電站在設計和建設中，一般通過合并單元(MU)將經傳統互感器變換的電氣量以SV 報文形式傳輸給保護測控等裝置;利用智能終端(IT)收發GOOSE 報文實現保護與斷路器等設備間開關量的傳輸。現階段，一些工程甚至取消了MU，互感器二次輸出直接經電纜接入保護裝置，采用電纜采樣、GOOSE 跳閘的模式。

在智能變電站集成測試階段，數字動模試驗作為系統級測試，應盡可能模擬實際系統運行情況。將GTAO 板卡輸出的小電壓信號經功放放大來模擬互感器二次輸出，并經電纜接入MU，由MU 向保護測控裝置輸出SV 報文;對于電纜采樣的模式，功放輸出的電壓電流直接接入保護裝置;保護跳閘及開關位置狀態經智能終端與RTDS 系統接口板卡相連，測試原理如圖4 所示。

隨著電子式互感器技術的成熟，未來可能會大量應用在智能變電站中，對采用電子式互感器的二次系統進行RTDS 動模試驗時，應進行以下改進:(1)將MU 中的電子式互感器輸入板改為常規電壓電流輸入板來接受功放輸出的電壓電流;(2)更新GTNET卡SV 模式，使其適應國內所應用的9 －2 協議(目前RTDS 公司正在進行該工作);(3)開發能夠將RTDS輸出的小電壓信號直接轉換為9 －2 采樣值報文的中間裝置。

圖4 智能變電站設備數字動模試驗原理Fig.4 Digital dynamic test principle of intelligent substation device

3.2 測試模式

目前，智能變電站中模擬量采樣主要用“電磁式互感器+合并單元”的方式或“電磁式互感器經電纜直接接入保護裝置”的方式。在智能變電站集成測試過程中，利用RTDS 進行局部電網電磁暫態建模，根據測試目的采用不同的試驗模式。

3.2.1 全站系統測試(模式1)

全站系統測試模式下，合并單元、智能終端及保護測控按工程實際進行配置和整定，相關光口(包括SV 點對點、GOOSE 點對點及組網光口等)之間正確連接，如圖5 所示。實際中，智能終端一般采用強電開入(如DC110 V)，GTDO 板卡輸出的開關位置信號需經中間繼電器接入智能終端。

圖5 全站系統測試模式Fig.5 Systematic test mode of overall substation

該模式最接近實際運行，可以進行二次系統整體測試及SCD 文件檢測等，但接線復雜，特別是當線路保護涉及線路對端保護的配合時，需要集成測試現場具備對側保護設備。

3.2.2 保護功能測試(模式2)

可采用圖6 所示同步測試模式進行智能變電站保護功能測試，圖中以線路保護為例。

圖6 同步測試模式Fig.6 Synchronous test mode

圖6(a)所示的接線方式下，合并單元、智能終端按保護進行配置，光口之間正確連接。若有多種型號的保護裝置，為簡化試驗及接線，可采用同步測試的方式，即對于線路各側保護的采樣值回路，電壓并聯、電流串聯連接至合并單元;對于線路各側開關量回路，智能終端跳閘或開關位置信號電纜經并接后至GTDI 卡(各智能終端開入的直流電應取自同一電源)。這種方式能實現多個保護的同步測試，便于比較各廠家相同類型線路保護功能及性能的差異。該方式下，線路兩側可采用智能化保護，兩側裝置連接相同，均如圖6(a)中智能化側連接方式;也可采用線路一側采用智能化保護，對側采用傳統保護，傳統側二次電壓電流及開關量回路經電纜直接連接。這種測試方式能進行各間隔相關設備(包括保護裝置、合并單元及智能終端)及二次回路功能的整體測試。

同步測試時，為了簡化接線，多臺保護可利用交換機連接智能終端進行網絡跳閘，這需要對保護和智能終端重新進行配置，且保護和智能終端組網光口與交換機相連，如圖6(b)所示。

對于其他元件保護，試驗原理類似，圖6 所示方式均適用，只需按智能化側進行接線即可。這種方式適合保護裝置功能測試，可進行采樣回路的性能檢測，其中互感器的動態行為在RTDS 中實現，合并單元的性能由裝置本身決定。該模式也適用于開展差動保護電流的同步性測試。

3.3 測試項目

利用數字動模試驗可以實現智能變電站保護測控裝置、合并單元、智能終端、監控系統等的閉環測試，驗證二次回路功能和相關信號的正確性、網絡運行工況對二次系統的影響等。測試項目包含保護裝置常規的性能檢測和針對智能變電站二次系統的特殊試驗項目。

3.3.1 保護裝置功能試驗

保護裝置功能試驗包括常規功能試驗和專項功能試驗。根據《電力系統繼電保護產品動模試驗》的規定，常規功能試驗主要開展以下幾類測試:區內外金屬性故障、發展性故障、轉換性故障、區內外經過渡電阻短路、操作試驗、系統頻率偏移、互感器斷線、電流互感器飽和等。對于變壓器保護還要考核分接頭調整引起差流增大時區內外故障下的動作行為，操作試驗時空投產生勵磁涌流的情形等。母線保護應考慮區內故障有電流汲出時保護動作行為等。

專項試驗是針對工程實際要求對保護進行升級或特殊處理開展的試驗項目，如某工程要求線路高頻保護裝置采用光纖/載波雙通道“或”邏輯，要求線路高頻保護具備串補功能等。根據這些特殊需求，可制定測試項目，開展專項功能試驗。

3.3.2 智能變電站二次系統特殊試驗

特殊試驗主要針對合并單元、智能終端和監控系統及其二次回路。

檢測合并單元異常時保護的動作行為，如合并單元重啟或失電、合并單元同步光纖斷開、數據光纖斷開等情形下，保護的動作情況及同時發生區內外故障時保護的動作行為。

檢測從故障發生到保護跳閘的整組動作延時，該延時包括合并單元延時、保護動作延時及智能終端延時。

通過斷開外部對時光纖模擬時鐘不穩定，檢查保護的動作情況及同時發生區內外故障時保護的動作行為。

通過模擬網絡風暴，檢查保護情況及同時發生區內外故障時保護的動作行為，特別考核網絡風暴時，開關拒動情形下失靈保護的動作行為。模擬一次系統多個斷路器同時跳閘，考核監控系統數據處理能力。

3.3.3 差動保護同步性測試

針對線路差動保護、主變差動保護及母差保護開展同步性測試。檢測不同負荷電流水平下，保護差流的幅值和相位;檢測區外故障流過穿越性電流時，保護差流的幅值和相位及動作行為，考核差動保護電流采樣的同步性。

特別對于智能變電站與傳統變電站間的線路縱差保護，由于線路兩側采樣方式不同，一側采樣為SV報文，而對側采用模擬量直接采樣方式，需重點考察兩側線路保護采樣的同步性。分別輸出線路本側和對側二次電流至合并單元和保護裝置，比較兩側保護差流的幅值和相位，并模擬不同區內外故障考核保護動作行為。同步性測試時要求兩側線路保護光纖通道正常連接。

4 應用實例

在某實際500 kV 智能變電站集成測試中，利用本文方法完成了保護設備的數字動模試驗。

4.1 系統模型

試驗按照實際電網參數進行建模，其中，站內考慮實際接線形式，采用3/2 接線，本期共4 串，包括:1個完整串和3個不完整串，5條出線，如圖7 所示。建模時完整保留相關線路，對周邊系統按短路容量等值。線路3 為長線，采用分布參數模型，其余4 回線路按集中參數建模，線路1 和2、線路4 和5 均為同桿并架雙回線，建模時考慮零序互感，系統單線圖及保護配置見圖7。

該站采樣值采用電磁式互感器加合并單元的方式，跳閘采用GOOSE 點對點方式，相關繼電保護均為特殊版本。

圖7 500 kV 智能變電站局部等值系統Fig.7 Local equivalent system of 500 kV intelligent substation

4.2 試驗方案及內容

4.2.1 線路分相差動保護測試

對工程涉及的3 種型號線路差動保護(PCS931、PSL603 及CSC103)按圖6(b)方式進行同步測試。跳合閘均由線路保護控制，開關分合閘固有時間統一按30 ms 考慮。任何一個保護動作出口即可跳開RTDS 的模擬斷路器，啟用一套線路保護的重合閘功能，便于轉換性故障測試。

為了全面考慮功率倒向、跨線故障及零序互感等的影響，試驗中選定同桿雙回線中的線路1 進行測試，設置了6個故障點，其中F1 和F2 為線路首末端故障，F3 為雙回線跨線故障，F4 為雙回線相鄰線故障(考核本線功率倒向)，F5 和F6 為母線故障，對線路差動保護開展常規性能測試。圖8 為線路1 發生F1 點A 相故障CT 飽和時的測試波形。

圖8 線路1 A 相故障CT 飽和試驗錄波Fig.8 Test waveform of Line－1 A-phase ground fault with CT saturated

試驗中，針對線路差動保護進行同步性測試，用功放為合并單元和常規保護提供二次電流，檢查重負荷及區外故障穿越性電流下線路保護差流大小及保護行為。

4.2.2 線路高頻保護測試

該工程中線路3 配置了一套高頻保護，根據要求高頻保護采用“光纖+載波”雙通道“或”邏輯，即光纖通道和載波通道的動作出口跳閘采用“或”邏輯，遠傳信號雙通道傳輸，且遠傳信號均通過線路保護轉發，采用“或”邏輯。

針對高頻保護除常規試驗外，開展了雙通道“或”邏輯驗證的專項試驗。利用RTDS 模擬線路3區內(F7)A 相和區外(F6)B 相同時故障，將光纖通道和載波通道“分相式命令”設置成不同，通過保護的動作行為來判斷縱聯保護是否滿足“或”邏輯要求。

4.2.3 母差保護測試

針對母差保護開展保護常規功能測試及差動保護電流采樣同步性測試。

4.3 試驗結果

線路保護、母線保護裝置在常規試驗中均能區內故障可靠動作、區外故障不誤動，動作行為滿足全部檢測項目的要求。故障發生到線路保護跳閘出口的整組動作延時不超過20 ms。針對線路3 高頻保護完成了光纖/載波雙通道“或”邏輯試驗，保護功能、遠傳滿足“或”邏輯要求。

線路差動保護、母差保護在穿越性故障電流下差流很小，裝置采樣值滿足同步性要求。試驗結果表明:被測保護裝置能正確識別區內、區外各種故障，保護的功能和性能滿足相關標準，符合工程實際的要求。

5 結 語

隨著智能變電站的推廣和應用，需要在集成測試階段全面考察智能變電站二次系統在各種電網故障及二次系統異常情況下的性能指標。本文結合工程建設的需要，基于實時數字仿真系統RTDS 開展智能變電站二次系統數字化動模試驗方法研究，設計了智能變電站二次系統閉環測試方法及方案，可用于開展保護功能試驗、二次系統特殊試驗，以及全站二次系統整體測試。對某500 kV 智能變電站工程，在集成聯調與現場調試之間開展了全站二次系統數字動模試驗，考察二次設備的動態性能，為智能變電站集成測試提供了有力的支撐。

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